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INTERVIEW/013: Die DPG stellt vor - die Maßstäbe prüfen ...    Martina Gebbe im Gespräch (SB)


Umkehrung von Licht und Materie

Frühjahrstagung der Sektion Materie und Kosmos (SMuK) der Deutschen Physikalischen Gesellschaft vom 13. - 17. März 2017 an der Universität Bremen

Martina Gebbe über lasergelenkte Atomwolken, deren Verhalten bei Extremkälte und das "Herauspusten" von Atomen


Im Rahmen des Quantus-Projekts befassen sich Wissenschaftler und Ingenieure an der Universität Bremen mit der Weiterentwicklung eines Atominterferometers zur hochgenauen Messung von Trägheitskräften, die bei beschleunigten Bewegungen und als Erdbeschleunigung auftreten. Aus meßtechnischen Gründen werden bei dem Atominterferometer Atomwolken eingesetzt und manipuliert, welche fast bis auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden. Dann bildet sich ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat, welches mit einer anderen Atomwolke interferieren kann wie zwei Laserstrahlen bei einem Laser-Interferometer. Die Atome mit ihrer Wellencharakteristik erscheinen jetzt mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten, die von der Überlagerung beider Atomwolken bestimmt werden. Das heißt, die Atomwolken können sich periodisch auslöschen und verstärken, wie man es selbst von Wasserwellen her kennt. Im Kern besteht das Atomgravimeter von Quantus aus einem Atomchip, auf dem die Vermessung der interferierenden Bose-Einstein-Kondensate stattfindet.

Den Projektbeiligten ist es gelungen, ein Atominterferometer, einschließlich aller erforderlichen Aggregate wie Kühleinrichtung, Laser und Stromversorgung, auf Schuhkartongröße zu verkleinern, so daß das Meßlabor in einer Kapsel untergebracht werden konnte, wie sie am Fallturm des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen eingesetzt wird. Dort können für mehrere Sekunden Experimente in Mikrogravitation, faktisch also in Schwerelosigkeit, durchgeführt werden. Dazu läßt man die Kapsel über eine Strecke von rund 110 Metern durch eine weitgehend luftleere Röhre im Innern des Turms fallen.

Unter anderem kann mit dem Atominterferometer im Fallturm das Äquivalenzprinzip von schwerer und träger Masse überprüft werden. Damit ist die Meßeinheit an der Schnittstelle von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik angesiedelt. Letztlich soll die Atominterferometrie im Weltraum eingesetzt werden, wo vor allem das Gewicht des Meßlabors zählt.

An Quantus sind neben dem ZARM die Leibniz Universität Hannover, die Humboldt-Universität Berlin, die Universitäten Hamburg und Ulm, die Technische Universität Darmstadt und das Ferdinand-Braun-Institut in Berlin beteiligt. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) sowie vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unterstützt.

Die Physikerin Martina Gebbe hat die Wirkungsweise des Atomchipgravimeters auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in einem kurzen Vortrag vorgestellt. Im Anschluß daran war die Referentin freundlicherweise bereit, dem Schattenblick einige Fragen zu beantworten, die sich aus ihrem Vortrag ergeben hatten.


Im Gespräch - Foto: © 2017 by Schattenblick

Martina Gebbe
Foto: © 2017 by Schattenblick

Schattenblick (SB): Sie sind am ZARM der Universität Bremen tätig. Mit welchem Projekt sind Sie dort zur Zeit beschäftigt?

Martina Gebbe (MG): Am ZARM bin ich Mitglied der Arbeitsgruppe Quantenoptik und experimentelle Gravitationsphysik von Sven Herrmann. Innerhalb des QUANTUS-Projekts (Quantengase unter Schwerelosigkeit) arbeite ich an einem kompakten Experiment, welches für den Einsatz im Fallturm gebaut wurde. Nachdem es dort mehrere Jahre lang eingesetzt und das erste BoseEinstein-Kondensat unter Schwerelosigkeit damit demonstriert wurde, dient es nun als Testplattform für Messungen auf dem Boden. Mit dem Experiment haben wir kürzlich die Gravitation vermessen. Das ganze basiert auf einem Atominterferometer, das ähnlich zu einem Lichtinterferometer funktioniert, wobei hier die Rollen von Atom und Licht vertauscht sind. Mit diesem Atominterferometer kann man Beschleunigungen oder Rotationen messen und somit auch die Erdbeschleunigung.

SB: Wieso können Atome interferieren?

MG: Das ganze beruht auf der Quantenmechanik. De Broglie hatte 1924 postuliert, daß nicht nur Licht, sondern auch Materie Welleneigenschaften hat. Demzufolge kann man auch Atomen eine Wellenlänge zuordnen, und genau diesen Effekt nutzen wir für unsere Interferometrie.

SB: Ist mit "zuordnen" nur eine theoretische Bestimmung gemeint oder realisiert sich das auch in der Praxis?

MG: Man kann Materie ebenso durch Welleneigenschaften beschreiben wie das Licht. Diese Welleneigenschaften treten besonders stark hervor, wenn die Atome gekühlt werden und ihre Geschwindigkeiten herabgesetzt wird, weil dadurch die Wellenlänge größer wird. Die Wellenlänge skaliert inversproportional zum Impuls der Teilchen.

SB: Vergleichen Sie dann zwei Atome miteinander?

MG: Im Prinzip ist diese Interferenz, die dabei auftritt, ein Effekt, der schon bei einem Atom alleine auftritt. Wir haben jedoch mehrere tausend oder zehntausend Atome, um eine statistisch wertvolle Information zu erhalten.

SB: Funktioniert die Atominterferometrie ähnlich wie die Lichtinterferometrie, bei der zwei Laserstrahlen über ein optisches System überlagert werden?

MG: Ja, wir machen etwas ähnliches. Wir starten mit einer Atomwolke und die teilen wir dann in zwei Teile. Beide Teile werden durch Laserpulse auf unterschiedliche Wege gelenkt. Durch einen finalen Laserpuls werden sie dann zur Interferenz gebracht. Am Ende hat man zwei verschiedene Atomwolken. Indem man die Atomzahlen in diesen Wolken bestimmt, läßt sich über den Wegunterschied, den die beiden Atomwolken genommen haben, Auskunft geben.

SB: Warum führen Sie die Messungen in der Mikrogravitation durch?

MG: Die Messungen, die wir in letzter Zeit gemacht haben, fanden alle unter Gravitation statt, weil wir die Gravitation bestimmt haben. Das geht natürlich nicht unter Mikrogravitation. Der Vorteil, in die Mikrogravitation zu gehen, besteht darin, daß sich die Sensitivität quadratisch mit der Interrogationszeit erhöht. Auf der Erde ist es so, daß diese Atome nach kurzer Zeit einfach auf den Boden aufprallen, weil sie der Gravitation ausgesetzt sind. Wenn wir in der Mikrogravitation sind, bleiben sie im Vergleich zum Experiment immer an der gleichen Stelle, und man kann länger mit ihnen arbeiten.

SB: Werden im Fallturm des ZARM Experimente mit dem Bose-Einstein-Kondensat gemacht und dabei auch Messungen zur Überprüfung des Äquivalenzprinzips von schwerer und träger Masse durchgeführt?

MG: Im Fallturm des ZARM werden Experimente mit BoseEinstein-Kondensaten gemacht. Experimente zur Überprüfung des Äquivalenzprinzips sind in der Vorbereitung. Man nimmt dazu zwei verschiedene Atomsorten, bei unserem Projekt wären es zum Beispiel Rubidium und Kalium. Dann wird der freie Fall dieser beiden Atomsorten verglichen. Wenn das Äquivalenzprinzip in irgendeiner Weise verletzt wäre, würde man dann sehen, daß die eine Atomsorte schneller fällt als die andere, weil sie unterschiedliche Massen haben.

SB: Kann man das in einem einzigen Fallexperiment durchführen?

MG: Es ist sogar sehr wichtig, gleichzeitig zu messen, damit die Atomwolken an der gleichen Stelle sind und man möglichst viele systematische Unsicherheiten ausschließt. Würde man erst ein Experiment machen und das andere eine Stunde später, wären die Bedingungen schon wieder ganz anders. Das könnte man dann nicht miteinander vergleichen.

Solche Versuche werden auch schon durchgeführt; zum Beispiel in Hannover, wo ebenfalls mit Rubidium und Kalium gearbeitet wird, allerdings auf dem Boden und nicht in der Schwerelosigkeit. Der beste Test mit Atominterferometern wurde bisher von chinesischen Forschern durchgeführt (Zhou et al.). Dabei wurde eine Genauigkeit von zehn hoch minus 8 erreicht. Mit klassischen Tests lässt sich das Äquivalenzprinzip im Moment allerdings noch genauer prüfen.

SB: Würde man noch bessere Ergebnisse bekommen, wenn der Fallturm ein Stück höher wäre, oder spielt das keine Rolle?

MG: An sich wäre es natürlich besser, wenn der Turm noch höher wäre, damit man möglichst lange Zeit hat, um alle Experimente durchzuführen. Da der Turm letztlich nur eine begrenzte Experimentierzeit bietet, geht man zum Beispiel auf eine Rakete, die mehrere hundert Kilometer hoch geschossen wird. Letztlich ist es das Ziel, auf Satelliten oder die ISS zu gehen, wo man dann fast keine Limitierung in der Zeit hat.

SB: Wir haben von den Schwierigkeiten gehört, die das MICROSCOPE-Experiment mit sich gebracht hat. Das hat 17 Jahre gedauert, bis es überhaupt lanciert war, und dauert jetzt nochmal einige Monate, bis die ersten Meßergebnisse vorliegen. Ist das ein konkurrierendes Experiment oder werden sie sich im Ergebnis ergänzen?

MG: Momentan ist es mit der Atominterferometrie noch nicht soweit. Ich glaube, es dauert noch ein bißchen, bis die Genauigkeit von 10 hoch minus 15 erreicht ist, die sie anstreben. Aber man kann mit diesen Atomen, weil sie Quantenobjekte sind, auch andere, ergänzende Messungen machen. Zum Beispiel gibt es Vorhersagen, wonach das Äquivalenzprinzip spinabhängig verletzt wird. Das heißt, man könnte mit Atomen irgendwelche spinabhängigen Verletzungen prüfen. Atominterferometer gibt es noch nicht so lange wie Lichtinterferometer. Meiner Meinung nach ist noch viel Potential in der Entwicklung, und es entwickelt sich auch ständig weiter.

SB: Gibt es Optionen, solche Atominterferometer außerhalb der Wissenschaft einzusetzen?

MG: Ja, aber bisher nicht für den täglichen Gebrauch. Es gibt schon Interferometer zu kaufen, nur nicht im Supermarkt. Die werden zum Beispiel zur Vermessung des Erdschwerefeldes eingesetzt. Man kann, wenn man beispielsweise geringe Änderungen im Erdschwerefeld hat, auf die Beschaffenheit des Untergrunds schließen und beispielsweise vulkanische Aktivitäten, Erdbeben oder Mineralvorkommen untersuchen.

SB: Ist das der praktische Nutzen aus Ihrem Experiment?

MG: Genau, das ist der praktische Nutzen von Gravimetern. Aber ich möchte noch einmal ergänzend zu dem, was ich vorhin erklärt habe, auf die Kühlung zurückkommen. Das wird vor allem deshalb gemacht, damit die Atomwolke klein bleibt. Das Problem ist, wenn man eine Atomwolke bei Raumtemperatur hätte, würden sich die Teilchen mit einigen hundert Metern pro Sekunde bewegen. Alle Teilchen würden sofort an den Rand der Vakuumkammer knallen und wären für uns nutzlos. Um wirklich eine kleine Wolke von Atomen zu erhalten, die auch zusammenbleibt, muß man die Atome bis auf Millionstel Kelvin herunterkühlen.

SB: Wie bewegt man so eine Atomwolke von vielleicht fünftausend oder zehntausend Atomen, wenn es zwei Wolken sind? Die Wolken werden doch im Vakuum zusammengeführt oder nicht?

MG: Das wird mit Laserlicht gemacht. Zum Beispiel wird ein Laser an einem Gitter in verschiedene Strahlen gebeugt. Das gleiche passiert bei uns. Auch wir haben ein Gitter und zwar aus Licht. An diesem wird die Wolke gebeugt. Das ganze machen wir also mit Laserpulsen.

SB: Eine Umkehrung von Licht und Materie?

MG: Genau.

SB: Sie berichteten vorhin in Ihrem Vortrag, daß es Phasen gibt, die sich gegenseitig auslöschen und daß das schon innerhalb eines Atoms passiert. Verändert sich das Atom dann dabei oder kann man es für ein einzelnes Atom beobachten?

MG: Nein, das Atom verändert sich nicht. Vielleicht kennen Sie das Beugungsexperiment von Elektronen an einem Spalt. Da entstehen Interferenzstreifen. Man kann die Elektronen hintereinander den Spalt passieren lassen. Durch die Welleneigenschaften der Elektronen und die Interferenz (also die Überlagerung von Wellen) wird die Wahrscheinlichkeit bestimmt, wo das Elektron hinter dem Spalt auftrifft. Für jedes Elektron passiert das alleine, es braucht keine Wolke von Elektronen. Das gleiche gilt auch für das Atom. Aber letztendlich messen wir zwei verschiedene Impulszustände am Ende unseres Interferometers, und wir messen die Atomzahl in diesen beiden Wolken. Durch das Interferometer wird bestimmt, wo die Atome auftreffen, was mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten geschieht. Für ein Atom gibt es eine bestimmte Wahrscheinlichkeit. Dadurch, daß wir mehr Atome einsetzen, können wir die Messung durchführen.

SB: Handelt es sich um einen Spaltversuch, wo Atome statt Licht eingesetzt werden? Wäre das verständlich oder nicht ganz falsch?

MG: Ja, das ist nicht falsch, nur verwenden wir drei Spalten.

SB: Wie sieht das aus, wenn sich alle Atome in einem
Bose-Einstein-Kondensat in der gleichen Phase befinden?

MG: Normalerweise befinden sich Atome in verschiedenen atomaren Zuständen. Für das Bose-Einstein-Kondensat gilt das nicht. Die Atome werden soweit heruntergekühlt, daß sich irgendwann alle im gleichen Zustand befinden. Das ist ein ganz besonderer Zustand.

SB: Könnten Sie "Zustand" genauer beschreiben? Handelt es sich um eine bestimmte Anordnung im Raum?

MG: Das sind Energiezustände. Die werden als Wellenfunktion oder Wellen beschrieben, von denen wir gesprochen haben. Normalerweise ist die Wellenlänge von solchen Teilchen sehr, sehr kurz, so daß man sie nicht messen kann. Aber sobald die Atome den Übergang zu diesem Bose-Einstein-Kondensat machen, ist das ein Phasenübergang, dann überlappt die Wellenfunktion von verschiedenen Teilchen und man kann das ganze Kondensat durch eine gemeinsame Wellenfunktion beschreiben. Man hat nicht mehr verschiedene Funktionen für verschiedene Teilchen, sondern man hat eine gemeinsame Wellenfunktion.

SB: Wenn man Meßversuche macht, ist es ja oft so, daß es eine Erfassungsgrenze gibt. Wird dadurch, daß alle Atome in der gleichen Phase sind, die Erfassungsgrenze für das Experiment ausgedehnt?

MG: Nein. Man kann vielleicht das Bose-Einstein-Kondensat im Verhältnis zu normalen Atomen mit dem Verhältnis von einem Laser zu normalem Licht vergleichen. Auch mit normalem Licht kann man Interferenzexperimente machen. Aber mit dem Laser funktioniert das deutlich besser, weil der Laser nur eine Wellenlänge hat. Normales Licht von der Sonne hat ganz verschiedene Wellenlängen. Das gleiche gilt für Atome. Die Atome sind bei einem Bose-Einstein-Kondensat alle im gleichen Zustand, während sich bei normalen Atomen die Zustände verteilen. Das wäre die Äquivalenz von einem Laser im Vergleich zu normalem Weißlicht und vom Bose-Einstein-Kondensat im Vergleich zu thermischen Atomen.

SB: Arbeitet ihr Atominterferometer immer mit
Bose-Einstein-Kondensaten?

MG: Wir benutzen Bose-Einstein-Kondensate, wobei auch ein paar thermische Atome dabei sind. Man kann das ganze auch mit thermischen Atomen machen, das ist kein Hinderungsgrund. Nur hat ein Bose-Einstein-Kondensat einfach den Vorteil, daß es noch kühler und noch kleiner ist. Dadurch werden die Messungen genauer.

SB: Welche Temperatur brauchen Sie dafür?

MG: Die Temperatur ist weitgehend unabhängig von der Atomsorte. Unser Kondensat hat ungefähr eine Temperatur von 50 Nanokelvin, also ziemlich gering, während thermische Wolken, mit denen man arbeitet, eine Temperatur im Mikrokelvinbereich haben - also Millionstel oder Milliardstel Kelvin.

SB: Wie stellt man das her?

MG: Man fängt die Atome in magnetischen Fallen mit Magnetfeldern und kühlt sie dann mit Lasern herunter. Wenn sich ein Atom in die eine Richtung bewegt, schickt man einen Laserstrahl aus der anderen Richtung und bremst damit die Atome aus. Am Ende wirft man nur noch die heißen Atome raus, damit die kältesten Atome übrigbleiben.

SB: Und das wird alles in diese Fallkapsel eingebaut?

MG: Genau, das findet alles darin statt.

SB: War das dann auch eine technische Leistung, die Kühlung in der Fallkapsel unterzubringen?

MG: Richtig. Die Kühlung an sich lag schon vor. 1995 wurde das erste Bose-Einstein-Kondensat gemacht. Dazu wurde noch ein ganzes Labor gebraucht. Für uns bestand die technische Herausforderung darin, das alles auf einem kompakten Platz unterzubringen. Zum Glück bekommt man die Laserkomponenten schon sehr klein. Der Atomchip, den ich in meinem Vortrag erwähnt hatte, erzeugt sehr steile Magnetfelder und ersetzt die großen Magnetspulen, die bis dahin eingesetzt wurden. Darüber hinaus muß das alles über Akkus mit Energie versorgt werden, damit das Experiment nicht an einer Steckdose angeschlossen werden muß.

SB: Sie sagten vorhin, daß sie die wärmsten Atome herausschmeißen. Wie machen Sie das? Wie pickt man einzelne Atome? MG: Man kann das mit einer Tasse heißen Kaffees vergleichen. Da verdampft ständig Wasser. Das sind die heißesten Teilchen, die dann verdampfen. Wenn man pustet, kommen noch mehr heraus. Das ist quasi das Prinzip. Man hat die Atome in Magnetfeldern gefangen und in der Mitte der Falle sind sie am kältesten. Dann senkt man die Magnetfalle bzw. verringert die Falle, so daß die heißesten Atome nicht mehr eingefangen werden. Dabei verliert man natürlich auch Atome. Das ist der letzte Schritt, den man macht. Die Laserkühlung ist beschränkt, alleine damit könnte man kein Bose-Einstein-Kondensat erreichen. Deshalb ist das "Herauspusten" der letzte Schritt.

SB: Vielen Dank für die ausführlichen Erläuterungen.


Gebbe demonstriert das Einfangen von Atomen mit vor dem Körper erhobenen Händen, die geformt sind, als umfaßten sie eine Kugel - Foto: © 2017 by Schattenblick

Wie man Atome in einer Magnetfalle fängt ...
Foto: © 2017 by Schattenblick

Bisher im Schattenblick unter INFOPOOL → NATURWISSENSCHAFTEN → REPORT zur DPG-Frühjahrstagung in Bremen erschienen:

BERICHT/004: Die DPG stellt vor - Verantwortung der Wissenschaft ... (SB)
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27. März 2017


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